Aantal Bladeren:29 Auteur:Site Editor Publicatie tijd: 2019-01-18 Oorsprong:aangedreven
Het verschijnen van betrouwbare laserdiodes heeft op verschillende manieren een revolutie teweeggebracht in de technologie van krachtige solid-state lasers.Het oorspronkelijke idee, dat bijna net zo oud is als diodelasers en optisch gepompte vastestoflasers, enzovoort anderen hebben de ontwikkeling van laserdiodes met hoog vermogen gestimuleerd, namelijk om ze te gebruiken als pompbron voor vastestoflasers13, is aan het einde van de eeuw werkelijkheid geworden: diodegepompte staaflasers in het kW-bereik zijn op de markt verkrijgbaar plaats als industriële producten.Maar daarnaast zijn er in de tussentijd nieuwe diodegepompte vastestoflasers verschenen, die geen conventionele, dat wil zeggen lampgepompte tegenhanger hebben.Dergelijke lasertypes, die uitsluitend (of op zijn minst bij voorkeur en alleen efficiënt mogelijk door het gebruik van laserdiodes als pompbron, zijn bijvoorbeeld de schijflaser en de fiberlaser, die nu de markt voor materiaalverwerking betreden.Bovendien heeft de diodelasertechnologie dat zelf ook ontwikkeld met zo'n hoog vermogen en kwaliteit, dat zelfs directe diodelasers kunnen worden gebruikt voor materiaalverwerking.
Laserwerking op GaAs- of GaAsP-laserdiodes bij cryogene temperaturen is al in 1962 aangetoond14. Wat begon als een fysieke curiositeit als basis voor extreem dure lasers met een zeer korte levensduur, is tegenwoordig de basis voor zeer duurzame en goedkope laserbronnen die de grootste markt van laserbronnen bestrijken, met een volume van 3,10 miljoen.US$ in 200615: Het leeuwendeel van de huidige markt voor diodelasers houdt verband met toepassingen met vrij laag vermogen in telecommunicatie en optische opslag, maar de technologie heeft ook een zeer sterke impact op materiaalverwerking met krachtige lasers.Zorgvuldig onderzoek van de kristallijne structuren, gedetailleerd begrip van faalmechanismen en Een aanzienlijke verbetering van de productieprocessen heeft tot dit succes geleid.Niettemin, zelfs als geavanceerde koelconcepten een vermogenstoename mogelijk maken die veel verder gaat dan de telecomvereisten, blijft de emissie van een enkele zender bestaan beperkt tot een paar watt (bij een redelijke levensduur).Daarom worden verschillende emitters gecombineerd in één monolithisch element, een laserbalk genaamd, die vervolgens op een microkanaal-koellichaam wordt gemonteerd voor efficiënte koeling16;tot 120 W zijn a typisch vermogen van een commerciële reep, maar recentelijk is uit laboratoriumexperimenten meer dan 500 W gerapporteerd17.Asferische cilindrische microlenzen worden gebruikt voor het collimeren van de sterk uiteenlopende bundel.De schittering is echter beperkt vanwege de beperkingen van de bundelkwaliteit van de individuele zenders en vooral vanwege hun onsamenhangende koppeling18.
De originele en nog steeds meest gebruikte vorm van het actieve medium in een krachtige vastestoflaser (Nd:YAG) is de cilindrische staaf;bij een laser met hoog vermogen heeft deze staaf doorgaans een diameter van 4 tot 8 mm, een lengte van 150 tot 200 mm en excitatie wordt uitgevoerd door krypton-booglampen.Zelfs als dit type vastestoflaser de afgelopen jaren de meest prominente vastestoflaser is geweest, heeft het twee systeeminherente nadelen: ten eerste de levensduur van de kryptonboog lampen zijn vrij kort – slechts enkele honderden uren – en moeten dus regelmatig worden vervangen.Ten tweede, en nog ernstiger, wordt slechts een heel klein deel van het licht dat door de kryptonbooglampen wordt geleverd feitelijk gebruikt voor het pompen van de laserproces;de rest genereert warmte en verspilt dus energie en veroorzaakt problemen, vooral door het thermische lenseffect.Door diodepompen kan men van deze problemen afkomen: laserdiodes zorgen voor een lange levensduur van meer dan 10.000 uur en hun emissiegolflengte kan exact worden afgestemd op de absorptiepiek van het actieve materiaal, 808 nm in het geval van het Nd:YAG-kristal.De verminderde warmtebelasting van het kristal maakt een hoger vermogen van één staaf mogelijk het levert beter op straalkwaliteit: doorgaans worden diodegepompte staaflasers in het (multi-)kilowattbereik gespecificeerd met een straalparameter productc) van ¼12 mm mrad, terwijl lampgepompte staaflasers ongeveer 25 mm mrad laten zien.Daarom kleinere vezeldiameters (typisch 300 µm) kan worden gebruikt.Bovendien is een plug-efficiëntie van 10% kenmerkend voor deze lasers, vergeleken met ongeveer 3% voor apparaten met een lamppomp.Een typische diodegepompte staaflaser met hoog vermogen wordt getoond in figuur 15. Deze laser is dat wel het topmodel in een serie van 500 W tot 4 kW en is uitgerust met acht laserkamers.
Naast het feit dat de reeds bestaande toepassingen als het snijden en lassen van zacht staal en roestvast staal kunnen worden uitgebreid naar grotere materiaaldiktes of hogere snelheden, is de toename van de vermogensdichtheid, die kan worden bereikt met De Nd:YAG-laser met diodegepompte staaf heeft ook geleid tot de mogelijkheid om materialen te snijden en te lassen, die voorheen nauwelijks toegankelijk waren, zoals bijvoorbeeld legeringen op aluminiumbasis.Dit wordt getoond in Afb. 16, waar lascurven voor AlMg3 (5457) met een ROFIN DP 040 (zie afb. 15) laser worden gepresenteerd.
Afb. 15: ROFIN DP040HP – diodegepompt staaflaser met 4 kW uitgangsvermogen Fig. 16: lascurven voor het lassen van 8 mm dik AlMg3 met een 4 kW diodegepompte Nd:YAG-laser
Als laboratoriumprototype op basis van de hierboven beschreven ROFIN DP-serie een staaftype diodegepompte Nd:YAG-laser met een uitgangsvermogen van max.8 kW is gerealiseerd in samenwerking met het Fraunhofer Instituut voor Lasertechnologie in Aken, Duitsland.Het doel van het project is om een beter inzicht te krijgen in de verwerking van hoogvermogenmaterialen in het golflengtebereik van 1 µm.De straling van de 8 kW laser wordt op de werkstations afgeleverd door vezels met een kerndiameter van 600 µm en een lengte tot 50 m.
Het snijden van roestvrij staal is uitgevoerd voor materiaaldiktes tussen 4 en 10 mm.De maximale snelheid die kon worden bereikt voor oxidevrije sneden was 2,5 m/min;om deze snelheid met een CO2-laser ongeveer 20% hoger te bereiken ondanks de superieure straalkwaliteit is er vermogen nodig19.Lasexperimenten hebben uitgevoerd op roestvrij staal en zacht staal met een dikte tussen 6 en 10 mm.Bij deze experimenten is een onverwacht sterke damppluim tijdens het lassen herkend.Voldoende onderdrukking van de pluim zou kunnen kan niet worden bereikt door conventionele standaardmondstukken zonder het smeltbad te verstoren.De belangrijke uitdaging was dus om een speciaal mondstuk te ontwikkelen, dat enerzijds de pluim effectief zou kunnen onderdrukken, maar het smeltbad zou kunnen verlaten. ongestoord aan de andere kant.Het is bewezen dat een succesvol nieuw mondstukontwerp het probleem oplost: Afb. 17 toont de daadwerkelijke lasresultaten voor zacht staal en roestvrij staal.Verder onderzoek naar de damppluim, vooral de interactietussen de pluim, de laserstraling en de procesgasstroom moeten zijn verder onderzocht en het potentieel van krachtige vaste-stoflasers verder geopend.
Afb. 17: Lassen met 8 kW solid state
Naar aanleiding van een speciale toepassing, namelijk het verwijderen van bladvervuiling van spoorrails20, is een Q-switched Nd:YAG-laser met hoog vermogen (ROFIN DQx80S) ontwikkeld.Bladbesmetting veroorzaakt hoofdzakelijk twee problemen, die van invloed zijn de veiligheid van het treinsysteem: lage grip van de wielen, wat rem- en acceleratieproblemen en interferentie met veiligheidsrelevante elektrische spoorcircuits veroorzaakt.Laserablatie blijkt het voorkeursproces te zijn voor de efficiënte verwijdering van deze laag.Zoals bekend heeft laserablatie korte pulsen nodig in het bereik van enkele tien nanoseconden.Tot nu toe zijn dus voornamelijk excimeerlasers gebruikt;echter, zoals de lasersystemen voor deze toepassing dat ook moeten zijn Omdat ze in treinen rijden, zijn excimeerlasers onder meer om veiligheidsredenen uitgesloten.Er is een gemiddeld vermogen van ongeveer 1 kW gevraagd, aangezien het gemiddelde vermogen bepalend is voor de verwijderingssnelheid van de verontreiniging en een minimale gemiddelde treinsnelheid. Voor economisch gebruik van de methode moet een snelheid van ongeveer 70 km/u worden bereikt.Gebaseerd op het hierboven beschreven diodegepompte staaflaserontwerp is een Q-geschakelde Nd:YAG-eenheid gerealiseerd die een gemiddeld vermogen van 800 W levert in Q-switch-modus in pulsen van ongeveer 38 ns en met een herhalingssnelheid van 6 tot maximaal 15 kHz.De energie wordt via een vezel van 800 µm afgeleverd in een speciale werkkop, die een lijnfocus vormt met de breedte van het spoor en een lengte,Proc.van SPIE Vol.6735 67350T-7 dat zorgt voor overlappende pulsen, zelfs bij de hoogste treinsnelheid, om de sporen volledig schoon te maken;de werkkoppen zijn onder de wagen van de 'schoonmaaktrein' gemonteerd.Het systeem is succesvol getest en voldoet technisch en economische eisen.De hier beschreven laser is voor zover wij weten de sterkste Q-switched commerciële laser die beschikbaar is.Toepassingen kunnen zich voordoen op het gebied van het afbijten van verf, oppervlaktereiniging, structureren op hoge snelheid, vooral voor zonnecellen en andere.
Bij longitudinaal (of eind-)gepompte vastestoflasers wordt de pompstraling langs de optische resonator geleverd via de eindspiegel van de laser.Uiteraard is pompen in deze geometrie alleen mogelijk als de straalkwaliteit van de pomp gewaarborgd is bron is goed genoeg zodat het pomplicht efficiënt in de laserstaaf kan worden gekoppeld.Het concept is dus alleen haalbaar met (diode-)laserpompen;de rechthoekige, zeer astigmatische emissie van de diodestaven moet opnieuw worden gerangschikt passen in de ronde vorm van de staaf.In tegenstelling tot het zijwaarts gepompte concept kan in een dergelijke configuratie het gepompte gebied worden afgestemd op het modusvolume van de resonator en dus kan een zeer efficiënte laserbron met hoge straalkwaliteit worden gebruikt. gerealiseerd worden.Diodepompen kwalificeert ook andere laseractieve materialen dan het bekende Nd:YAG-kristal voor lasers: eindgepompte lasers gebruiken vaak Nd:YVO4 (Yttrium-Vanadate), dat onder andere een bredere absorptieband heeft voor de 808 nm straling van de diodes en is dus minder gevoelig voor temperatuurverschuiving of veroudering van de diodes.De hoge straalkwaliteit (fundamentele modus) en de korte resonatorconfiguratie van het eindpompconcept, evenals de korte De fluorescentielevensduur van Nd:YVO4 maakt deze opstelling tot een voorkeurscombinatie voor het genereren van korte Q-schakelaarpulsen en ook voor frequentieconversie.
Typische toepassingen voor dergelijke lasers liggen op het gebied van zeer nauwkeurige markering en hoge precisiebewerking.Een typisch en zeer representatief voorbeeld voor een markeertoepassing van deze laser is het genereren van smartcards, weergegeven in Afb. 18: Het hoge pulspiekvermogen en de hoge herhalingssnelheid van de laser verkorten de printtijden voor veel toepassingen.ROFIN-lasers voor deze toepassing maken gebruik van innovatieve grijsschaalsoftware die verschillende intensiteiten mogelijk maakt individuele laserpulsen.Grijswaardenafbeeldingen maken het mogelijk om het aantal bits in een bepaald beeld te verminderen, waardoor de markeertijd merkbaar wordt verkort in vergelijking met conventionele zwart-witafbeeldingen die fotografie van hoge kwaliteit opleveren afdrukken.
Een voorbeeld voor het verwijderen van dunne films is het structureren van zonnecelmateriaal: de transparante elektrode, meestal gemaakt van indium-tin-oxide, moet in strepen zijn gestructureerd met zo smal mogelijke scheidingslijnen als het oppervlak van deze elektrode. lijnen gaan verloren voor energieconversie en beïnvloeden zo de efficiëntie van de zonnecel.Lijnen met een breedte vanaf 10 µm en kunnen worden geschreven met een snelheid tot 1000 mm/s.Voor een andere toepassing het volledig verwijderen van de dunne laag film op de zonnecellen is vereist.De laser kan deze taak uitvoeren met een snelheid van 5 cm²/s.
Een van de beperkende factoren voor lasers van het staaftype in termen van straalkwaliteit, zelfs als diodepompen wordt gebruikt, is het 'thermische lenseffect'.Eén idee om dit te omzeilen is in 1994 gepubliceerd door A.Giesen et.al.21, die voorstelde een dunne stof te gebruiken schijf (ongeveer 150 tot 300 µm dik en ongeveer 7 mm diameter) als lasermedium.Deze dunne schijf wordt met de achterkant op een koellichaam gemonteerd en wordt zo in axiale richting gekoeld, waardoor een radiale temperatuurgradiënt wordt vermeden.Als In dit geval wordt actief materiaal Yb:YAG gebruikt, omdat dit materiaal onder andere veel hogere dopingniveaus (tot 30%) toestaat dan Nd-doping;Hoge dopingniveaus zijn belangrijk voor deze technologie, net als het volume, waar het laserlicht wordt geëxtraheerd is veel kleiner dan bij het staaftype.Het pompen gebeurt uiteraard met diodes waarvan de golflengte is afgestemd op de hoofdabsorptie van het Yb:YAG-kristal (940 nm);omdat niet al het pomplicht via één pad kan worden geabsorbeerd a configuratie met meerdere doorgangen wordt gerealiseerd.Bovendien is het kwantumdefect in het Yb:YAG-systeem veel kleiner dan bij het Nd:YAG, wat leidt tot een verdere vermindering van de warmtebelasting.Om deze redenen een verdere verbetering vergeleken naar diodegepompte staaflasers wordt verwacht en in feite kan 7 mm mrad worden bereikt in een typische schijflaseropstelling.Bij de Tegelijkertijd wordt een hogere efficiëntie bereikt, die wel 50% optisch-naar-optisch kan zijn, wat resulteert in een wall plug-efficiëntie van ongeveer 20%!
Tegenwoordig worden schijflasers met hoog vermogen geleverd vanaf 750 W (ROFIN DSx75HQ) vanaf één schijf met een vezel van 150 µm tot een vermogen van 3 kW (ROFIN DS030HQ) vanaf twee schijven en een vezel van 200 µm (gebruikt NA=0,12).Lascurven voor een laser van 1,5 kW en voor In Fig. 19 zijn twee verschillende focusdiameters (100 µm en 300 µm) weergegeven voor het lassen van roestvrij staal in vergelijking met een CO2-plaatlaser (ROFIN DC015, zie hoofdstuk 2.1).Het voordeel van de schijflaser voor dun materiaal is duidelijk zichtbaar.
Een voorbeeld voor industriële toepassing is het lassen van een batterijbehuizing uit RVS 1.4301 (Fig. 20);met 700 W en een puntdiameter van 100 µm kan het onderdeel perfect worden gelast met een snelheid van 5 m/min onder een He-atmosfeer.
Voor het snijden is de schijflaser uiteraard ook prima geschikt: er zijn 0,5 mm (4 mm) dikke RVS folies gesneden met een vermogen van 1,5 kW en een snelheid van 40 m/min (2 m/min);Zuurstofondersteund snijden van zacht staal werd uitgevoerd op 1 mm en 10 mm dik materiaal met respectievelijk 10 m/min en 1 m/min.
Afb. 19: Lascurven voor het lassen van roestvrij staal met een schijflaser van 1,5 kW (DS015) in vergelijking met een CO2-laser van het plaattype (ROFIN DC015): duidelijk zichtbaar is het voordeel van de schijflaser voor dun materiaal.Door plasma-effecten wordt de CO2 laser is voordelig voor dikker materiaal.
Fig. 20: batterijbehuizing (1.4301) gelast met een 750 W dunne schijflaser (ROFIN DSx75HQ) puntgrootte 100 µm, lassnelheid 5 m/min
De hoge straalkwaliteit van de schijflaser, afgeleid van de gevestigde set-up voor markeertoepassingen, maakt de snelle positionering van de straal mogelijk door een systeem van twee galvanisch aangedreven spiegels (Fig. 21, links).Een bijzonder zogenaamd vlak veld lens' zorgt voor de focus in een vlak werkvlak, ondanks de positie. De bundelafgifte door een optische vezel met een typische kerndiameter van 150 tot 200 µm maakt het eenvoudig om een dergelijke bundelafbuigeenheid te combineren met een robot, zoals weergegeven in Afb. 21 (rechts).
Deze opstelling leidt tot een zeer flexibel hulpmiddel: terwijl de robot een vloeiende beweging van de scankop uitvoert in de hoofdrichting van de naad, buigen de galvanische spiegels de straal naar de exacte positie af, waardoor ze rechtuit bewegen. steken, cirkels, golven of elke andere gewenste vorm.Als voor het lassen bijvoorbeeld alleen maar rechte steken met een laslengte van 50% en intervallen van 50% nodig zijn, zou een beweging van de straal met een constante snelheid leiden tot een laslengte van 50%. gebruik van de laser;door implementatie van het robotscanner-lassysteem kan de snelheid (van de robotbeweging) bijna worden verdubbeld, omdat de scanner de plek zeer snel over de intervallen kan leiden (dat wil zeggen in het millisecondenbereik).
Deze opstelling is dus een zeer interessante mogelijkheid voor het lassen van bijvoorbeeld een witte carrosserie, ter vervanging van elektrisch puntlassen.
Fig. 21: Links: schets van een galvanisch spiegelsysteem met vlakveldlens voor snelle bundelpositionering22.Rechts: combinatie met een robot Vezellaser
De andere mogelijkheid om het thermische lenseffect te vermijden is het verkleinen van de diameter en het vergroten van de lengte van de staaf, zodat het actieve medium uiteindelijk is gedegenereerd tot een optische vezel en zelfs radiale koeling geen schade veroorzaakt. temperatuurgradiënt over de dwarsdoorsnede van de vezel.In feite kan de diameter van de actieve kern zo dun zijn dat slechts één enkele modus wordt versterkt en dus single-mode straling met hoge bundelkwaliteit kan worden gegenereerd.Pompen wel typisch uitgevoerd door het gebruik van een zogenaamde double-clad fiber: het pomplicht wordt gekoppeld in de binnenbekleding die de actieve vezelkern omringt en vervolgens over de gehele lengte van de actieve vezelkern geabsorbeerd. vezel.Er zijn twee algemene Proc.van SPIE Vol.6735 67350T-9 mogelijkheden voor de koppeling van het pomplicht in de pompkern: (a) het eindgepompte concept, waarbij een diodestapeling met een vrij hoge bundelkwaliteit vereist is om in de pompbekleding van de vezel te passen, en (b) de ' Y'-koppeling configuratie, waarvoor een groot aantal vezelgekoppelde diodes nodig is, die via vrij complexe methoden in de pompkern moeten worden ingevoerd,bijvoorbeeld vezelsplitsing of Bragg-roosters.
Door de maximale vermogensdichtheid in de actieve kern van de vezel is het vermogen dat uit een enkele vezel (niet noodzakelijkerwijs single mode!) kan worden gehaald beperkt.In commerciële systemen ligt deze limiet voorlopig op ongeveer 800 W ongeveer 1 tot 2 keer diffractie-gelimiteerde bundelkwaliteit, terwijl in het laboratorium 3 kW is aangetoond23, met een bundel die 'bijna diffractie-gelimiteerd' is.Vermogensschaling wordt uitgevoerd door een 'side-by-side' combinatie van verschillende vezels en gaat dus gepaard met een verlies aan straalkwaliteit.
Vezellasers in het hoge vermogensbereik bevinden zich momenteel in een evaluatiefase voor industriële toepassingen.Ze bieden een technologie met een groot potentieel, als ze tegen redelijke kosten kunnen worden vervaardigd en hetzelfde kunnen bieden prestaties als de schijflaser, vooral in het hoge vermogensbereik.Een prominente toepassing van deze lasers vanwege hun superieure straalkwaliteit in het lage vermogensbereik is markeren;Fig. 22 toont een fiberlasermarkeersysteem met een galvo scanner voor de fiberlaser.
In plaats van de diodelaser te gebruiken voor het pompen van vastestoflasers met hoog vermogen, kunnen ze ook worden gebruikt voor directe verwerking.Dergelijke eenheden maken indruk door hun extreem kleine formaat, zelfs bij een hoog vermogen: de laserkop van 3 kW, weergegeven in figuur 23, is zo klein als 555 (inclusief de optische tubus) x 260 x 200 [mm] en het gewicht bedraagt slechts 25 kg.Om het gehele lasersysteem compleet te maken, moeten een besturingseenheid en een koelmachine met een afmeting van elk ongeveer 600 x 800 x 1000 [mm] worden toegevoegd.Diodelasers met hoog vermogen, kunnen echter niet zo'n hoge bundelkwaliteit verschaffen als de hierboven beschreven diodegepompte lasers.Dit is een gevolg van de onsamenhangende koppeling van de individuele emitters van de diodelaserstaven18.Bij toenemend vermogen P neemt de straalkwaliteit toe neemt af met een factor ,/P zolang de briljantheid van de individuele emitters onveranderd blijft.Hierbij wordt gebruik gemaakt van polarisatiekoppeling en golflengtekoppeling de situatie verbeteren16, 18: Diodelasers met hoog vermogen zijn dat doorgaans
Fig. 23: Kop van een diodelaser met hoog vermogen,3,1 kW (ROFINDL031Q) ongepolariseerd en zendt uit op twee of drie golflengten.De spot is rechthoekig (1,3 x 0,8 [mm] bij een brandpuntsafstand van 66 mm voor het 3 kW-systeem getoond in figuur 23 met een hogehoedprofiel in de ene richting en een Gauss-profiel in de andere.
Als gevolg van de nogal slechte straalkwaliteit in het hoge vermogensbereik zijn traditionele lasertoepassingen zoals snijden en hogesnelheidslassen met diepe penetratie niet echt open als markt voor diodelasers met hoog vermogen (zie hoofdstuk 4, Afb. 27).De figuur laat echter ook zien dat er toepassingen zijn met een hoog potentieel voor de hoogvermogen-diodelasers: Sommige van de toepassingen die geschikt zijn voor hoogvermogen-diodelasers zijn jaren geleden gedemonstreerd met Nd:YAG of CO2 lasers, maar konden met deze lasers om technologische of – vooral – kostenredenen niet doordringen in de industriële productie.De investeringskosten van de huidige hoogvermogendiodelasersystemen zijn aanzienlijk lager dan die van Nd:YAG. schijf- of fiberlasers, terwijl ze op vrijwel dezelfde of iets kortere golflengte uitzenden;de bedrijfskosten zijn veel lager dan die van andere lasers vanwege hun hoge efficiëntie (meestal ligt de efficiëntie van de stekker in het bereik of zelfs boven de 30%) en omdat ze vrijwel onderhoudsvrij zijn gedurende de lange levensduur van de diodes.Er wordt een verdere verlaging van de bedrijfskosten verwacht met de toename van de levensduur van de diodelaserstaven, aangezien de kosten eenvoudig kunnen worden berekend laten zien dat, naast de afschrijving, het vervangen van de diodes het leeuwendeel van de exploitatiekosten voor zijn rekening neemt.Last but not least, het kleine formaat van niet alleen de diodelaserkop, maar ook - gebaseerd op de hoge elektrische tot optische efficiëntie - ook van de stroomvoorziening en de koelmachine, maken ze tot een zeer aantrekkelijk hulpmiddel voor veel van die toepassingen waarbij de straalkwaliteit van de conventionele laser eenvoudigweg niet nodig is.
De mogelijkheid om optisch perfecte lasnaden te produceren in een warmtegeleidend lasproces heeft geleid tot de allereerste industriële toepassing van hoogvermogen diodelasers, het lassen van keukenspoelbakken.Een dwarsdoorsnede door een las is getoond in Fig. 24. Het gebruik van de diodelaser in plaats van conventioneel TIG-lassen maakte een aanzienlijke vermindering van het nawerk mogelijk: alleen polijsten is nodig, maar vrijwel geen slijpen of repareren!Dit feit leidde tot een kostenvoordeel, zelfs als de De investering voor een 2,5 kW diodelaser is hoger dan voor een TIG-lasapparaat24.
Hardsolderen wordt steeds meer een aantrekkelijke verbindingstechnologie bij de productie van autocarrosserieën en bij het afdichten van RF-afschermingsbehuizingen voor elektronische componenten.Experimenten in de applicatielaboratoria van ROFIN-SINAR hebben dit aangetoond het succesvolle solderen van met Zn gecoat staal (0,9 mm) met CuSi-hardsoldeer, toegevoerd als draad met een diameter van 1 mm.De experimenten leidden tot zeer gladde naden (Fig. 25).De hardsoldeersnelheid was 2-4 m/min bij een vermogen van 2,5 kW, maar dit is sterk afhankelijk van de hardsoldeersnelheid individuele vereisten voor het opvullen van gaten met hardsoldeermateriaal.Met een hoog vermogen diodelaser zijn minimaal dezelfde resultaten te behalen als met een Nd:YAG laser, maar tegen aanzienlijk lagere kosten!
Vanwege zijn rechthoekige vorm, met een hoge hoedprofiel in de ene richting en een Gaussiaans profiel in de andere richting, is de krachtige diodelaserstraal bijzonder geschikt voor oppervlaktehardingstoepassingen.Bovendien, in vergelijking met CO2 laser De emissiegolflengte van deze lasers is kort, wat leidt tot een hogere absorptie en dus de noodzaak van een coating ter verbetering van de absorptie uitsluit.Het hogere rendement van de diodelasers samen met de De hierboven genoemde voordelen maken de hoogvermogendiodelaser tot een zeer efficiënt, betrouwbaar en kostenefficiënt hulpmiddel voor harden.Een zeer prominent voorbeeld voor een productietoepassing van diodelasers met hoog vermogen is het harden van torsieveren, die worden gebruikt bij de scharnieren van autodeuren (Fig. 26).De krachtige diodelaser biedt niet alleen een ideale straalgeometrie en intensiteitsverdeling, maar is ook de meest kostenefficiënte manier voor de transformatie verharding.De torsieveer met een diameter van 8 mm, getoond in Fig. 26 moet uitgehard worden over een hoek van >170°, over een lengte van ca.10 mm en tot een diepte van 0,2 tot 0,4 mm op het gemarkeerde gebied om slijtage van de veer door de klemrollen, die de deur in een bepaalde positie houden, te verminderen.In een opstelling, welke maakt gebruik van twee lasers onder een hoek van ongeveer Inzetstuk: veerdoorsnede: verharde zone 120° kan deze geometrie homogeen worden gehard, als de lasers over de lengte van 10 mm scannen.Een actieve procescontrole, waarbij twee pyrometers worden gebruikt voor temperatuurregistratie, waarborgt de kwaliteit van het proces voor elk afzonderlijk onderdeel25.
Bekleding met diodelasers met hoog vermogen wordt onderzocht, aangezien hoge vermogensdichtheden ook niet nodig zijn voor deze lasertoepassing, die tegenwoordig ook wordt uitgevoerd met CO2- of Nd:YAG-lasers;poedervoeding heeft echter bepaalde vereisten nodig werkafstand en dus een bepaalde straalkwaliteit, maar die kan worden vervuld door de modernste diodelasers.
Bovendien zijn diodelasers het perfecte hulpmiddel voor het laserlassen van polymeer, zoals elders in detail beschreven26, 27.
KORTE VERGELIJKING VAN VERSCHILLENDE LASERTECHNOLOGIEËN
De uiteindelijke beslissing welke laser voor een bepaalde toepassing moet worden geselecteerd, hangt van veel aspecten af.Uiteraard moet eerst een haalbaarheidsstudie duidelijk maken welke laser het beste is om het gewenste resultaat te krijgen.Echter, een typische classificatie zoals voorgesteld door P. Loosen28, kan een aanwijzing geven voor de geschikte lasertechnologie (Fig. 27), en maakt ook een vergelijking mogelijk van de best haalbare straalkwaliteit voor elk lasertype.
Fig. 27: Bundelparameterproduct versus laservermogen voor verschillende lasertypen en typische regimes voor industriële toepassingen28
De traditioneel belangrijkste toepassingen, die het grootste deel van de markt in beslag nemen (zie hoofdstuk 1), namelijk snijden en lassen, vereisen ook de beste straalkwaliteit.Een dergelijke straalkwaliteit kan worden bereikt door de CO2-laser en door de diodegepompte vastestoflasers.Lassen kan ook worden uitgevoerd met een door een lamp gepompte YAG-laser, zoals aangetoond in veel toepassingen in de industrie.Toch moet hier vermeld worden dat de CO2-laser vooral in de plaatconfiguratie voorkomt (zie hoofdstuk 2.1) levert nog steeds de goedkoopste fotonen voor materiaalverwerkingstoepassingen en ook de beste bundelkwaliteit, dwz de beste focusseerbaarheid in het vermogensbereik van meerdere kW.Economische 'cost-of-ownership'-overwegingen, inclusief de impact van elke technologie op de onderdelenkosten zal in aanmerking worden genomen als experimenten hebben aangetoond dat verschillende lasers het werk even goed kunnen uitvoeren.De illustratie in Fig. 27 laat dit ook zien, ondanks de verminderde bundel kwaliteitsdiodelaser met hoog vermogen kan een aantrekkelijke fotonenbron zijn voor veel lasertoepassingen vanwege het hoge rendement van ongeveer 30%.;schijf- en fiberlasers komen daar met ongeveer 20% in de buurt, terwijl CO2-lasers ongeveer 10% gebruiken van de verbruikte energie in de uiteindelijke laserstraal.
De CO2-gaslaser heeft lange tijd het gebied van de verwerking van hoogvermogenmaterialen gedomineerd en heeft nog steeds veruit het grootste marktaandeel (41,1%) op de markt voor de verwerking van lasermaterialen4 (1,69 miljard US$ voor laserbronnen).Door de verschijning van betrouwbare en krachtige laserdiodes als pompbron voor vastestoflasers, dit beeld is enigszins veranderd en vastestoflasers maken elk jaar een inhaalslag;niettemin in 2006 nog steeds de hoogste hoeveelheid vaste stof Lasers vielen onder de lampgepompte systemen (20,4%), gevolgd door fiberlasers (8,5%, gestegen ten opzichte van 6% in 2005) en diodegepompte (staaf / schijf) systemen (6,4%).Directe diodelasers bestrijken nog steeds slechts 1% van de markt.Het wordt verwacht dat zowel schijflasers als fiberlasers zullen groeien, voornamelijk ten koste van door lampen gepompte eenheden;driedimensionale toepassingen en toepassingen op afstand zullen uiteraard profiteren van de verbeterde straalkwaliteit van deze lasers en nieuwe mogelijkheden bieden.Hoog vermogensdiodelasers voeden momenteel niches als oppervlaktebehandeling en warmtegeleidingslassen;dus meer dan andere lasers concurreren diodelasers met hoog vermogen met conventionele technologieën.De CO2-laser doet dat echter wel zullen de komende jaren het werkpaard blijven voor lasermateriaalverwerkingstoepassingen, vooral voor alle tweedimensionale taken.
Nederlands
Pусский
